巨噬细胞对铁代谢的调控作用*

姜 辉，李美琦，胡佳楠，朱 俐，骆倩倩

(南通大学特种医学研究院低氧生物医学综合实验室，南通 226019)

1 铁代谢简介

铁是机体中广泛存在的一种金属，在细胞中参与多种基本生理过程，包括DNA 合成、细胞代谢和呼吸，细胞增殖分化和死亡[1-2]。铁还是血红蛋白(hemoglobin,HGB)的主要成分，对于机体氧气运输必不可少。作为一种具有氧化还原活性的金属，铁在人体中有两种存在形式(二价和三价)。铁价态的不同决定了其特性功能和毒性。机体内的铁通常是以无毒的三价铁(Fe3+)状态在细胞内存储或转运；而二价铁(Fe2+)存在于HGB 和许多酶的活性复合物中，会通过Fenton 产生活性自由基引起细胞毒性。机体的铁代谢受到多种机制的严密调节，以维持系统和细胞铁水平的稳态。这些铁代谢调节机制在不同哺乳动物物种间非常保守，巨噬细胞在维持铁的利用度及防止铁诱导的毒性中起着关键性作用。不同组织部位的巨噬细胞通过与其他细胞(包括组织巨噬细胞、肝细胞、红细胞和十二指肠上皮细胞)或微环境相互作用发挥其调节功能。机体中参与铁回收再利用的组织巨噬细胞包括脾脏红髓巨噬细胞(red pulp macrophages,RPMs)，骨髓中央巨噬细胞(central nurse macrophages in bone marrow,BMCMs)和肝脏枯否细胞(Kupffer cells,KCs)。这些巨噬细胞回收了体内90%～95%的铁以保障红细胞生成对铁的需求。在长期的生物进化过程中，噬红血球巨噬细胞(直接接触非血红素铁)发展并形成了保护自身免受铁毒性的机制。在失血、月经出血或妊娠的情况下，机体可通过增加肠道铁吸收来满足较高的铁需求。肠道巨噬细胞可暂时储存铁，但巨噬细胞在小肠铁调节过程中的作用尚不清楚[3]。目前已知脊椎动物没有活跃的铁分泌机制，主要是通过肠细胞脱落丢失铁。

2 巨噬细胞铁代谢

巨噬细胞通过控制细胞铁摄入及输出调节机体铁代谢。巨噬细胞可以通过不同机制吸收不同形式的铁，包括转铁蛋白(transferrin,Tf)结合铁，HGB 结合铁、游离铁以及血红素铁。巨噬细胞非血红素铁的摄取机制包括：吞噬衰老的红细胞从中分离血红素铁；通过转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)摄入Tf 结合铁；通过二价金属转运蛋白1(divalent metal transporter 1,DMT1)或锌转运蛋白ZIP14(zinc transporter ZRT/IRT-like protein 14,ZIP14/SLC39A14)摄入非Tf 结合铁(non-transferrin bound iron,NTBI)；通过天然抗性相关的巨噬细胞蛋白1(natural-resistanceassociated macrophage protein 1,NRAMP1/SLC11A1)和DMT1 摄入非血红素铁[4]。NRAMP1 是一种在细胞膜上表达的二价金属转运体，一般在晚期吞噬小体中表达，介导噬红细胞后的铁循环再利用。巨噬细胞摄取血红素铁的方式有：通过膜上表面抗原分化簇91受体(cluster of differentiation 4 receptors,CD91)又称LDL 受体相关蛋白1(low density lipoprotein receptorrelated protein,LRP1)摄入血红素结合蛋白复合物(hemopexin,Hpx)；通过膜上CD163 受体(清道夫受体富含半胱氨酸的SRCR 超家族)摄入HGB 结合铁-触珠蛋白(haptoglobin,Hp)的复合体。其他血红素转运蛋白还包括血红素载体蛋白1(heme carrier protein 1,HCP1)和猫白血病病毒C 组细胞受体1(feline leukemia virus C group cell receptor 1,FLVCR1)。HCP1 是最早被发现的血红素转运蛋白，还是质子耦联叶酸转运蛋白(proton coupled folate transporter,PCFT/SLC46A1)。HCP1 在巨噬细胞中表达丰富且与HGB-Hp 复合物有共定位，表明HCP1 在血红素和叶酸的转运过程中具有双重作用。FLVCR1 与细胞溶质中血红素输出有关，可防止细胞内血红素超负荷。此外，血红素反应基因1(heme responsive gene 1,HRG1/SLC48A1)能够将血红素从噬红细胞后的吞噬溶酶体中转运出来。在巨噬细胞中HRG1 与NRAMP1 均大量表达于吞噬溶酶体膜上[3,5-6]。

机体内过量的铁主要存储在肝细胞和巨噬细胞的铁蛋白(ferritin,Ft)中，Ft 以多聚球体形式存在，最多可填充4 500 个铁原子。Ft 由两个不同的亚基组成：重链(Ft heavy chain,FtH)和轻链(Ft light chain,FtL)。FtH 具有铁氧化酶活性，可将胞质中Fe2+氧化成Fe3+再储存到Ft 球体的空腔处。Ft 不仅存在于细胞内，也存在于血浆中。目前有两种Ft 受体可介导Ft 结合铁的吸收：FtH 受体T 细胞免疫球蛋白黏液域2,FtL 受体和清道夫受体5(scavenger receptor-A5,Scara5)[7]。铁被巨噬细胞吸收后可通过不同的机制释放。Fe2+可以被转运至外周循环系统，或在细胞胞质中被存储或转移利用。细胞溶质中的游离铁成为不稳定铁池(labileiron pool,LIP)的一部分，当细胞铁需求增加时，LIP 中铁可被直接利用。此外，在脾脏巨噬细胞内发现存在含铁血黄素(一种铁沉积复合物)，这些沉积物会形成晶体结构并被细胞内的溶酶体包围。经证实含铁血黄素是部分被消化的Ft 的聚合物，以含铁血黄素形式存在的铁很难被机体再利用。

巨噬细胞中的铁还作为辅因子参与许多不同蛋白的功能，如与能量产生，低氧调节，解毒以及宿主防御和炎症相关的蛋白[8]。这些蛋白质一般包含铁硫簇(iron-sulfur cluster,ISC)或血红素。电子传递链的大多数复合物都包含ISC 蛋白，它们可以驱动能量产生。这两种辅助因子都在线粒体中合成，线粒体中多余的铁也可以线粒体铁蛋白(mitochondrial ferritin,FtMt/Mfrn)的形式存储。线粒体内的Fe2+可以通过Mfrn1 和Mfrn2 转运出线粒体。另外，巨噬细胞产生的和炎症防御相关蛋白，如过氧化物酶、还原型辅酶Ⅱ氧化酶、吲哚胺2,3-双加氧酶、一氧化氮合酶或脂加氧酶也都含有铁。

目前已知巨噬细胞只能通过SLC40A1 基因编码的膜铁转运蛋白(ferroportin-1,Fpn1)输出铁，Fpn1在所有的巨噬细胞中均有大量表达[9-10]。在Fpn1 突变和Fpn1 失活的小鼠中，脾脏和肝脏均出现了巨噬细胞铁超载现象。由于铁的跨膜运输均涉及铁氧化态和还原态间的相互转化，因此铁的运输需要不同的亚铁氧化酶和铁还原酶参与。Fpn1 的功能发挥就需要含铜氧化酶铜蓝蛋白(ceruloplasmin,Cp/IREG1)辅助。Cp 既可以循环血浆蛋白存在，也可以膜结合糖基磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol,GPI)连接蛋白存在。膜结合形式的Cp 主要存在于肝实质细胞和巨噬细胞的细胞膜上，介导Fe2+氧化成Fe3+后通过Fpn1 排出细胞外。Cp 突变或Cp 缺失小鼠和人类均发现肝实质细胞和巨噬细胞铁蓄积并引起机体贫血，表明Cp 在铁释放过程中发挥关键作用。但Cp并不参与Fpn1 的内摄和降解过程。铁被氧化成Fe3+后经Fpn1 释放出细胞可直接加载到糖蛋白Tf 上，Tf 是机体内主要转运Fe3+的蛋白，随后Tf 结合铁主要被骨髓中发育红细胞和BMCMs 利用。

3 脾脏巨噬细胞对红细胞稳态的调节作用

机体中大部分铁(20～21 mg/d)来自于脾脏从红细胞血红素中回收，饮食中仅吸收1～2 mg。巨噬细胞负责从衰老的红细胞中分解HGB 并获取铁，每个红细胞中有2.5～2.8 亿个HGB 分子，可从中提取约10 亿个铁原子[11]。巨噬细胞回收铁的第一个信号是通过膜受体来识别衰老的红细胞并吞噬这些细胞，巨噬细胞膜表面有各种受体蛋白可识别衰老红细胞的“吃我”信号[12-13]。这些信号包括信号调节蛋白α(signal regulatory protein α,SIRPα)、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine,PS)受体1 和4、清道夫受体A 型成员Ⅰ(scavenger receptor AⅠ,SR-AⅠ)和膜上表面抗原分化簇36 受体(cluster of differentiation 36,CD36)。衰老红细胞膜上最常见的“吃我”信号是膜上表面抗原分化簇47 受体(cluster of differentiation 47,CD47)和PS[4]。当衰老红细胞被吞噬后，含红细胞的吞噬小体便与溶酶体合并形成吞噬溶酶体并对红细胞进行分解消化出HGB。HGB在血红素加氧酶(heme oxygenases,HMOXs)的作用下被分解为血红素，HMOXs 降解血红素后产生铁、一氧化碳(carbonic oxide,CO)和胆绿素。HMOX1 不存在于红细胞膜上，而主要位于内质网上，其活性位点位于细胞溶质一侧，也证实了血红素的分解过程发生在细胞溶质中[5,14]。在噬红作用或溶血作用后可以立刻检测到HMOX1 的表达，证明了HMOX1 在抑制血红素毒性中的重要作用[15-16]。HMOX1 缺乏会引起RPMs 和BMCMs 细胞耗竭，提示HMOX1 的存在对巨噬细胞的活性和功能至关重要。另外，HMOX2 也参与细胞内血红素的分解，与诱导型的HMOX1 相反，HMOX2 在大多数组织中是组成型表达，参与不同类型细胞铁的提取[15-16]。吞噬溶酶体分解HGB 产生血红素后可通过血红素转运蛋白HRG1 从吞噬溶酶体转移到细胞质中[6,17]。HRG1 在转录后水平同时受到血红素和铁的调节[5]。HRG1 在脾脏、肝脏和骨髓的巨噬细胞中均呈高表达，在发生噬红作用后1 h就可定位到吞噬溶酶体膜上。血红素转运蛋白HCP1也具有潜在的将血红素转运到细胞质中的能力。最新的研究[6]在巨噬细胞溶质中鉴定出了另一个铁转运蛋白NRAMP1，在噬红作用后出现在吞噬溶酶体膜上。NRAMP1 敲除小鼠巨噬细胞表现出明显的铁释放抑制及铁滞留。噬红作用后的巨噬细胞即使在几小时后都伴随着FtH 和FtL 的高表达，这表明通过巨噬细胞的噬红作用被回收的铁大部分储存在巨噬细胞内的Ft 上[18]。另外，在噬红作用1 h 后Fpn1表达也会增加，提示铁不仅可以被转运或存储在巨噬细胞内，也会通过Fpn1 被释放[19]。当系统发生溶血引起铁含量迅速增加超过肝脏KCs 的铁存储能力时，过多的铁才会被转移到肝实质细胞中进行长期储存[20]。

4 应激诱导的噬红作用与铁代谢

机体在稳定状态下，血红素铁优先被脾脏中的RPMs 代谢分解；而在应激条件下，肝脏中的巨噬细胞对红细胞吞噬作用则至关重要，如在系统性溶血时脾脏RPMs 的铁回收不能缓解机体的铁需求，血液中的Ly6C+单核细胞迁移至肝脏不会分化成KCs，而会特异性分化成用于铁回收的巨噬细胞[20]。在这过程中，集落刺激因子1(colony stimulating factor-1,CSF1)和核因子红系2 相关因子2 促进了单核细胞在肝脏发育分化为用于铁回收的FPN1+Timneg 巨噬细胞[20]。

巨噬细胞已经发育出完善的机制清除血红素，当系统内产生HGB 和血红素时会迅速产生HGB 的清道夫蛋白，即触珠蛋白和血红素结合蛋白。脾脏RPMs 和肝脏KCs 会表达CD163 和CD91：它们的功能是参与清除过量的不稳定的血红素，从而保护机体免受血红素和HGB 的毒性反应。巨噬细胞含有亚铁氧化酶(如Cp)和还原酶(如FtH)，这些酶的存在可保证铁的快速氧化和还原，确保铁在细胞内的有效运输和利用[21]。血红素诱导的单核细胞中Spi-C 转录因子的产生可促进脾脏中噬红性RPMs 的分化，并诱导血红素和铁调节蛋白的表达[22]，促进血红素和铁的快速分解，从而抑制铁对细胞的毒性[6,22]。研究[23]证明在细菌感染引起的系统性溶血时所释放的不稳定血红素抑制了巨噬细胞的吞噬功能。这可能是由于当红细胞吞噬作用开始时血红素的释放对巨噬细胞有负反馈作用，通过损害巨噬细胞的噬红作用维持机体组织中氧气的供应。

5 BMCMs 与成红细胞岛

红细胞生成是一个受环境信号、营养物质的利用和细胞相互作用共同调节的动态过程。血液中大部分Tf 结合的铁被供应给骨髓用于合成血红素生成红细胞。骨髓中表达CD169 的BMCMs(又称为护士巨噬细胞)周围会被不同分化阶段的红系祖细胞围绕，这种结构称为成红细胞岛。它为红细胞生成提供了有利的微环境和支撑[24-25]。BMCMs 通过激活和抑制相关信号来调控红系祖细胞的增殖、分化并维持其生存，从而促进不同分化阶段的红细胞发育。BMCMs 在红系发育的不同阶段可分泌不同的可溶性因子，例如骨形态发生蛋白4、胰岛素样生长因子1、白细胞介素3 和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子，来诱导红系祖细胞的增殖和分化。同时，BMCMs 也可以释放红细胞生成的负性调节因子，包括GATA 结合蛋白1、转化生长因子β、γ 干扰素和肿瘤坏死因子α 来调节红细胞的增殖和分化[26]。

在红细胞的成熟发育过程中BMCMs 还可以帮助吞噬被有核红细胞挤出的细胞核。这个过程是通过原癌基因酪氨酸激酶实现的[9,27]。由于发育中的成红细胞黏附在BMCMs 周围，因此BMCMs 可能还参与调节成熟网织红细胞向血液循环的释放过程。参与这一过程的黏附分子包括成红细胞巨噬细胞蛋白，血管细胞黏附蛋白1 和a4b1 或a4b5 整合素。清除巨噬细胞或其中的一种黏附分子会引起不同分化阶段的原红细胞增殖发育延缓以及成红细胞岛的破坏[26,28]。研究[22]发现，敲除Spi-C 不仅会导致红细胞生成岛数目减少还会延缓RBC 的形成，所以Spi-C 信号通路对于红细胞生成必不可少。另外，清除CD169+巨噬细胞会引起骨髓中成红细胞的数量减少，但成熟红细胞数量只是轻度减少并不会引起机体贫血，提示体内存在红细胞生成的代偿机制以维持机体的稳态[28]。相反，有研究[29]证实可以通过消除BMCMs 来逆转真性红细胞增多症小鼠模型中的病理性红细胞生成的增多。

6 BMCMs 对铁转运的调节

众所周知，Tf 结合铁是通过TfR 介导的内吞作用被摄取[30]。在红细胞发育过程中，成红细胞阶段TfR 表达增加，但在网织红细胞释放后表达下降。Tf的缺失会阻碍红细胞的生成并导致铁在储存器官中堆积，表明Tf 结合铁是红细胞生成的关键铁来源。巨噬细胞通过形成内吞小体摄入Tf 结合铁，当内吞小体在酸性条件(pH 4.5)时，内吞小体内的亚铁还原酶中的金属还原酶家族3 可将Tf 上结合的Fe3+还原为Fe2+，使铁从Tf 中释放出来。随后Fe2+再通过内吞小体膜上的DMT1 将Fe2+运出并释放到细胞质中，空载的Tf 与TfRs 一起回到巨噬细胞表面循环再利用。BMCMs 可帮助成红细胞装配铁，但目前尚不完全清楚铁是如何从BMCMs 细胞质转移并用于红细胞生成。Fpn1 在BMCMs 上表达量丰富，敲除Fpn1会引起铁在BMCMs 积聚抑制成红细胞的发育，表明铁在装载到成红细胞之前可通过Fpn1 从巨噬细胞释放[31]。NRAMP1 在BMCMs 中参与铁的运输也可能与Fpn1 介导铁释放用于红细胞生成有关[9]。在没有Tf 结合铁存在的情况下，BMCMs 也可以利用其他形式的铁，例如分泌的Ft 结合铁和血红素铁来支持红细胞生成。

7 展 望

机体通过复杂的代偿及互补机制维持铁的稳态，不仅可以满足红细胞生成以及其他细胞功能对铁的需求，也可以防止铁超载引起的细胞及生物毒性。组织巨噬细胞在调节机体铁稳态中处于中心地位，对于其调节机制的认识也日益加深。除了十二指肠的铁摄取外，巨噬细胞参与了机体铁循环和代谢的每个步骤。敲除小鼠的研究[26,28]表明，巨噬细胞介导的铁代谢在应激条件下尤为重要。机体在稳态条件下存在维持系统铁代谢的补偿机制，而巨噬细胞可能仍是其中的主要铁调节者。虽然已知巨噬细细胞在红细胞生成调节中的重要性，然而，巨噬细胞是如何感知红细胞生成以及巨噬细胞是否依赖铁的可用性和氧的需要来协调红细胞生成尚不清楚。对于特异性组织中巨噬细胞的铁代谢调节以及巨噬细胞影响代谢性疾病的新功能可能是未来的研究重点。